Проблемы машиностроения и надежности машин, 2021, № 6, стр. 43-51

Нанесение электролитического железа, сплавов и композитов на его основе является перспективным методом восстановления и упрочнения деталей машин [1]. Оно позволяет автоматизировать техпроцесс, получать покрытия с заданными свойствами без термического воздействия на деталь, получать поверхность в пределах допуска на размер и шероховатость. Введение в “чистое” электролитическое железо твердых дисперсных частиц (оксидов, боридов, карбидов) позволяет получить на поверхности деталей композит, обладающий в десятки раз повышенной прочностью и износостойкостью в сравнении с высоколегированными сталями и покрытиями, полученными другими способами [2–6].

В соответствии с классической теорией прочности, “лепестковой” теорией изнашивания Н.П. Су, термофлуктационной теорией С.Н. Журкова и В.Р. Регеля, адгезионной Е. Арчарда и Е. Хорнбогена, энергетической Г. Флейшера и Г. Грегера трение и изнашивание электрохимических композитов обусловлено сочетанием свойств материалов основы (матрицы) и частиц наполнителя (дисперсной фазы), их поверхностной энергией, структурными особенностями и внешними условиями [7–10].

Высокую износостойкость композитов связывают с тем, что твердые частицы дисперсной фазы, выступая в процессе изнашивания из матрицы покрытия, становятся площадками контакта, которые при трении наиболее интенсивно нагружаются. В случае приложения распределенной по поверхности контакта нагрузки, напряжения в приповерхностном слое матрицы композита существенно ниже, чем в приповерхностном слое твердых включений. Под нагрузкой одинаково деформируется как матрица, так и включения. Вместе с тем, поскольку модуль упругости матрицы значительно ниже, чем модуль упругости твердых включений, напряжения в поверхностном слое матрицы оказываются существенно меньшими [11].

Недостаточная изученность связей физико-механических свойств и структуры покрытий, формируемой электролизом, ограничивает практическое применение гальванических композитов.

Для устранения этих недостатков проведены исследования, цель которых заключается в изучении и сопоставлении структурных и прочностных свойств компонентов композита для определения их влияния на износостойкость материала.

Материалы и методы исследования. В качестве объекта исследования выступали образцы с износостойкими электрохимическими композиционными покрытиями на основе железа и его сплавов.

Для изучения влияния прочностных свойств матрицы на износостойкость композиционного материала были выбраны железоникелевые (как менее прочные) и железокобальтовые (как более прочные) покрытия, механические свойства которых изучены ранее [12, 13]. Для исследования влияния состава и прочности наполнителя на свойства композитов выбраны микропорошки электрокорунда белого промышленного изготовления (марок М14, М20).

Износостойкие композиционные покрытия наносили на образцы из стали 35 толщиной 0.5 ± 0.1 мм. Композиты на основе железоникелевого сплава получали из электролита следующего состава, кг/м³: FeCl₂·4H₂O – 550–600; NiSO₄·7H₂O – 80–90; Na₂H₄C₄O₆·2H₂O –1–1.5; при плотности тока 35–40 А/дм², рН = 0.7–1.0, температуре 313–318 К. Железокобальтовые композиты наносили из электролита следующего состава, кг/м³: FeCl₂·4H₂O – 550–600; CoSO₄·7H₂O – 90–100; Al₂(SO₄)₃·18 H₂O – 80; при плотности тока 30–35 А/дм², рН = 0.7–1.0, температуре 313–318 К.

Электролит-суспензию готовили введением в электролиты микропорошков электрокорунда белого марок М14 и М20 (ГОСТ 3647-80). Содержание порошков изменяли в пределах 25–150 кг/м³.

При нанесении композиционных покрытий использовали специальную ванну (рис. 1). Конструкция ванны с выпуклым дном и перегородкой, отделяющей пропеллерную мешалку от зоны расположения электродов, позволяла создавать восходящий поток с равномерным распределением частиц во всем объеме электролита. Раствор подогревали и стабилизировали по температуре с точностью ±5°С при помощи термостата. Кислотность контролировали ионометром ЭВ-74.

Электролиты готовили из реактивов квалификации “ХЧ” и “ЧДА”, которые корректировали по концентрации компонентов и рН добавлением соответствующих кислот и солей. Состав электролитов поддерживали в пределах ±1 кг/м³ и контролировали с помощью количественного химического анализа по стандартным методикам. Анодное декапирование проводили в электролите: H₂SO₄ – 300–350 кг/м³; FeCl₂·4H₂O – 20–22 кг/м³.

Исследования абразивной износостойкости проводили по схеме резиновый ролик-колодка в соответствии с ГОСТ 23.208-79. При этом условия работы трущейся пары следующие: Р = 44 Н, n = 60 мин^–1. Взвешивание образцов проводили на аналитических весах ВЛР-200М с точностью до 5.0 × 10^–8 кг.

Исследование микроструктуры покрытий проводили с помощью микроскопов МИМ-8, МБС-9. Объемное содержание частиц наполнителя в композиционном материале определяли стереометрическим анализом методом случайных секущих в комбинации с линейным методом [14, 15].

Опытные данные обрабатывали методами математической статистики. Для построения функциональных зависимостей использовали регрессионный анализ [16, 17].

Результаты исследований и их обсуждение. На этапе теоретических исследований определяли оптимальный состав композита в зависимости от размеров частиц наполнителя, их прочности и условий взаимосвязи между составляющими композита.

Рассматривая взаимосвязь структуры, прочности и износостойкости композита будем основываться на соотношениях дискретной и континуальной теорий дислокаций, уравнениях связи нормальных и тангенциальных напряжений и условиях прочности частиц дисперсного наполнителя на разрыв и отрыв [7].

Причинами разрушения композиционного материала будем считать: 1) нарушения адгезии между фазами по поверхности их раздела (по мере деформации пустоты растут и в момент, предшествующий разрушению, соединяются друг с другом); 2) растрескивание самих частиц, так как прочность и характер разрушения частиц зависят от их размера (с уменьшением размеров частиц их прочность растет и в идеале может достичь прочности материала на сдвиг).

Принимаем, что прочность частиц σ_р зависит от их размера в соответствии с соотношением Гриффитса–Орована [9]

где γ_р – удельная энергия разрушения частицы; G_р – модуль сдвига частицы; d – диаметр частиц; μ_р – коэффициент Пуассона включений.

Для определения прочности материала матрицы σ_т воспользуемся тем же соотношением, заменив размер частиц расстоянием между ними

где γ_т – удельная энергия разрушения матрицы; G_т – модуль сдвига матрицы; λ – расстояние между частицами; μ_т – коэффициент Пуассона матрицы.

Частицы наполнителя более прочные, чем матрица композита, задерживают его разрушениею, препятствуя распространению трещин. Рассмотрим явление в рамках дискретной и континуальной теорий, учитывая воздействие на препятствие как одностороннего, так и двухстороннего скопления дислокаций.

Среднее сдвиговое напряжение τ при одностороннем скоплении дислокаций [9]

где G, μ – соответственно модуль сдвига и коэффициент Пуассона материала; b – вектор Бюргерса; d – размер зерна материала.

Для двустороннего скопления дислокаций [9]

Наибольший размер неразрушающихся частиц можно установить из равенства теоретической прочности частиц на разрыв и прочности по Гриффитсу–Оровану, зависящей от размеров

где α_р – коэффициент, зависящий от типа укладки частиц наполнителя в композите; τ_р – сдвиговое напряжение в частицах наполнителя.

Подставляя в формулу (3) выражение (5) с учетом того, что при хрупком разрушении частиц теоретическое значение энергии разрушения выражается соотношением

где G_р, b_р – соответственно модуль сдвига и вектор Бюргерса; С_р – постоянная, зависящая от свойств материала наполнителя, получим соотношение для наибольшей прочности частиц

Согласно дискретной теории для роста трещины в пределах одного зерна (d_рд) и для континуальной теории при эллиптической ($d_{{р{\text{к}}}}^{{\text{э}}}$) и цилиндрической ($d_{{р{\text{к}}}}^{{\text{ц}}}$) формах трещин

Минимальное расстояние между частицами, отвечающее наивысшей прочности определяется из условия теоретической прочности на сдвиг композиции в соответствии с уравнением (4)

Подставляя значения величин для дискретной теории, получим критическое расстояние между частицами (λ_д)

С помощью преобразования γ = G_тb_т/С_т и С_т ≈ С_р – для матрицы выражение (12) примет вид

Для континуальной теории прочности выражение для распределения критического расстояния между частицами (λ_к)

Коэффициент концентрации напряжений в ДФ (K_р) можно определить по соотношению

В идеальном случае наивысшая прочность композита может быть равна теоретической прочности частиц. Поэтому будет справедливо соотношение

Тогда коэффициент концентрации напряжений в дисперсных частицах при выражении λ через объемное содержание наполнителя в композите V  будет

С учетом выражения (1) определим K_р композита через физические параметры компонентов фаз и объемного содержания наполнителя в композите:

– для дискретной теории

– для континуальной теории (при прохождении через композит эллиптических трещин или петель дислокаций)

и при прохождении цилиндрических трещин

Коэффициент концентрации напряжений в матрице композиции (K_т) можно рассчитать, используя известное правило смесей

Выполним расчет содержания наполнителя в композите, отвечающего наивысшей прочности композиционного материала при его разрушении, когда трещина проходит через связующие и дисперсные частицы. Условием такого разрушения будет отношение

Так как расчет необходимо выполнить для всех случаев разрушения, рассмотрим его принципы на одном из вариантов, например, при применении к изучению прочности композита дискретной теории дислокаций и прохождения трещин внутри одного зерна.

Соотношение σ_р/σ_к для такого случая будет равно

Из соотношения (21) следует

Выражение (22) позволяет определить отношение λ/d для искомого случая в виде

Учитывая зависимость объемного содержания от соотношения λ/d

можно получить выражение, связывающее объемное содержание с прочностными свойствами компонентов композита

Из выражения (25) получим объемное содержание наполнителя, отвечающее наивысшей прочности композита в рамках дискретной теории

Аналогичным образом получим соотношения при прохождении трещин через поликристаллы в рамках континуальной теории

а также при рассмотрении континуальной теории для случаев двустороннего скопления дислокаций при движении эллиптических и цилиндрических трещин, соответственно

Соотношения (28)–(30) предполагают наличие идеальной связи между частицами наполнителя и матрицей, которая может находиться в пределах 0 ≤ σ_р–m ≤ σ_р. Ее действительное значение можно изменять, варьируя величиной γ_р/γ_m (для электролитического железа $\gamma _{m}^{{{\text{(Fe)}}}}$ = 2000 эрг/см²; меди $\gamma _{m}^{{{\text{(Cu)}}}}$ = 1200 эрг/см²; никеля $\gamma _{m}^{{{\text{(Ni)}}}}$ = 1700 эрг/см²; электрокорунда γ_р = 3600 эрг/см²) [2, 4].

Результаты проверки полученных соотношений на примере композита железо-электрокорунд, никель-электрокорунд и медь-электрокорунд показали [18–24], что наиболее близки к действительным результаты расчета, основанные на континуальной теории, когда трещины моделируются как двухсторонние скопления дислокаций эллиптической формы. Соответственно объемное содержание, отвечающее наивысшей прочности покрытий по (28), в зависимости от прочностных свойств матрицы с включением электрокорунда, показано на рис. 2.

Следует заметить, что результаты теоретических и экспериментальных исследований достаточно хорошо согласуются (рис. 2). Таким образом, подтверждается возможность повышения износостойкости композитов с ростом прочности матрицы при введении в железо кобальта, никеля и других элементов.

Электроосаждаемые сплавы и композиты имеют более совершенную структуру (рис. 3), высокие упругопластические свойства, износостойкость, прочность сцепления с основой и меньшие внутренние напряжения в сравнении с “чистым” электролитическим железом [12, 18, 19, 21, 24].

Исследования абразивной износостойкости композитов на основе железа и его сплавов (железо-никель, железо-кобальт) показали, что их абразивный износ в значительной мере зависит от размеров и объемного содержания дисперсных частиц в материале (рис. 4).

Износ композита с ростом содержания наполнителя в покрытии уменьшался и проходил через минимум при содержании микропорошков 18–24% (об.). Необходимо отметить, что наибольшая износостойкость композитов на основе железокобальтовых покрытий оказалась выше при несколько большем объемном содержании наполнителя: V ≈ 22–24% (об.), чем у композитов на железоникелевой основе V ≈ 18–20% (об.).

Заключение. Теоретическим анализом структурно-прочностных свойств композиционных покрытий показано, что прочность гетерофазного материала определяется природой его компонентов, структурными параметрами, а также прочностью межфазных связей. Предложены расчетные формулы для определения оптимального объемного содержания наполнителя в износостойких композитах.